Merkittävä havainto Etelämantereella

Etelänapakaukoputki.
Kuva Daniel Luong-Van/University
of Chicago.

Chicacon yliopistossa työskentelevän John Carlstrom johtama tutkimusryhmä on tehnyt merkittävän havainnon Etelämnterella sijaitsevalla Etelänapa kaukoputkella (South Pole Telescope). Tutkimusryhmä havaitsi kosmisesta mikroaaltotaustasäteilystä[1] kiertynyttä polarisaatiota eli ns. B-moodia. 

Mikroaaltotaustasäteily on polarisoitunutta, joka johtuu fotonien ja elektronien vuorovaikutuksesta. Ilmiö on siis hieman samanlainen kuin valon sirottuessa (heijastuessa) järven tai auton konepellin pinnasta. Taustasäteilyn polarisaatio havaittiin ensikerran noin kymmenen vuotta sitten. Kyseessä oli kuitenkin ns. E-moodin polarisaatio, joka on helpommin havaittavissa kuin B-moodin polarisaatio.

B-moodin polarisaation syntyminen ei ole aivan yhtä suoraviivainen kuin E-moodin polarisaatio. B-moodi syntyy, kun E-moodin[2] polaroima taustasäteilyn valon reitti taipuu gravitaatiolinssien[3] vaikutuksesta. Polarisaatiokartoituksilla tutkijat kykenevät määrittämään maailmankaikkeuden massajakaumaa, pimeää ainetta jne. 

B-moodin yksi tärkeimmistä tutkimuskohteista on alkuräjähdyksen aikaisen inflaation tutkiminen. Kosminen mikroaaltotaustasäteily sisältää pienen osan tältä kaudelta olevaa B-moodin polarisaation omaava säteilyä. Inflaatiota voidaan tutkia, jos gravitaatiolinssien aikaansaamaa B-moodin polarisaatio on tunnettu ja voidaan poistaa havainnoista. Gravitaatiolinssien aikaansaama B-moodi on siis kohinaa inflaation B-moodin datassa.

B-moodi syntyi inflaation aikana voimakkaiden gravitaatioaaltojen kulkiessa silloisen maailmankaikkeuden läpi. Gravitaatioaallot taivuttivat voimakkaasti aika-avaruutta ja jättivät jälkensä sähkömagneettiseen säteilyyn kiertyneenä polarisaationa. 

Inflaatiokauden B-moodi on toistaiseksi ainoa tapa kerätä tutkimusaineistoa tästä ainutkertaisesta tapahtumasta. Tulosten myötä saadaan tieteellistä näyttöä inflaation olemassa olosta mutta myös siitä, että mikä inflaatiomalli on toimivin ja sopii havaintoihin. Myös korkeiden energiatilojen tieteellinen tutkimus hyötyy havainnoista.

Huomautukset

[1) Kosminen mikroaaltotaustasäteily syntyi noin 380 000 vuotta alkuräjähdyksen jälkeen, kun maailmankaikkeuden lämpötila oli laajentumisen seurauksena pudonnut noin 3000 K lämpötilaan. Tällöin elektronit pystyivät asettumaan atomiytimien orbitaaleille, jolloin kaikesta aineesta tuli sähköisesti neutraalia.  Tällöin sähkömagneettinen säteily pääsi leviämään kaikkialle maailmankaikkeuteen. Säteilyn aallonpituus on kasvanut maailmankaikkeuden laajentuessa ja nykyisin voimme havaita tämän saman säteilyn noin 2,7 K lämpötilaisena mikroaaltotaustasäteilynä.

[2] E-moodi syntyy, kun kosmisen mikroaaltotaustasäteilyn fotonit sirottuvat maailmankaikkeudessa vapaiden elektronien muodostamasta elektronikaasusta. Elektronikaasun tiheys on (luonnollisesti) hyvin pieni, joten polarisaationkin osuus kokonaisvuosta jää suhteellisen vähäiseksi.

[3] Kosmiset gravitaatiolinssit ovat galaksijoukkojen (klustereiden) aikaansaamia aika-avaruuden taipumia, jotka näkyvät valon kulkureitin muuttumisena hieman samaan tapaan kuin se tapahtuu optisessa linssissä. Gravitaatiolinssin ominaisuudet ovat samankaltaisia optisten linssien kanssa, sillä ne voivat kirkastaa vielä kauempana olevan kohteen (yleensä kvasaarin) kuvaa ja usein myös muodostaa useampia kuvia samasta kohteesta.

Maailman standardimalli vahvistui

Litium syntyi maailmankaikkeuden 

alun nukleosynteesin aikana 

ja sen jälkeen sitä on vain 

kulunut tähtien tuhotessa 

sitä omissa prosesseissaan. 

Erityisesti vanhat tähdet ovat 

olleet ongelmallisia, sillä niissä 

havaittu litiumin määrä ei ole 

ollut teorian mukainen. 

Kuva Karin Lind ja 

Davide De Martin.

Edwin Hubble havaitsi kaukaisten galaksien etääntyvän toisistaan, katsottiinpa mihinkä suuntaan tahansa. Hänen 1920-luvulla tekemä havainto johti ajatukseen ja teoriaan maailmankaikkeuden alkuräjähdyksestä (mm. Georges Lemaître) 1930-luvun alkupuolella ja nyt se tunnetaan nimellä Big Bang. Tämä nimityksen maailmankaikkeuden alulle antoi kilpailevaa teoriaa kehittänyt Fred Hoyle ollessaan haastateltavana radiossa vuonna 1950. Nimitys tarttui silloisen median käyttämäksi yleisnimitykseksi maailmakaikkeuden synnystä.

Sen jälkeen ajatus kerran alkaneesta ja mahdollisesti jopa ikuisesti laajenevasta maailmankaikkeudesta on työllistänyt tutkijoita hyvin paljon. Tuhannet tutkijat ovat käyttäneet miljoonia ja taas miljoonia työtunteja miettiessään ja tutkiessaan maailmakaikkeuden syntyä ja luodakseen hyvän teorian tapahtumasta. Nykyisin teoria tunnetaan maailmankaikkeuden standardimallina, joka pystyy kuvaamaan niitä tapahtumia, joita tapahtui aivan ensimmäisen sekunnin murto-osien murto-osien aikana.

Standardimalli antaa ennusteen myös erilaisten alkuaineiden määrien syntymisen suhteista. Maailmankaikkeuden yleisimpien alkuaineiden, vedyn ja heliumin lisäksi syntyi myös pieni määrä litiumia. Havaitun litiumin määrä on kuitenkin osoittautunut hieman standardimaalista poikkeavaksi ja etenkin litium-6 ja litium-7 suhde vetyyn ja toisiinsa on ollut selvästi poikkeava standardimallinen ennusteeseen nähden. Aikaisemman havaintojen mukaan litum-6 näyttäisi syntyneen parisataa-kertaisesti  ja litium-7 vain 1/5 siitä, mitä standardimalli ennustaa.

Kosmologit ovat outoa porukkaa, poikkeama teorian ja havaintojen välillä alkaa kaihertaa heitä ja he panevat koko tutkimustarmonsa pienten yksityiskohtien hiomiseen, kunnes anomaliat on onnistuttu ratkaisemaan tavalla tai toisella. Niin tässäkin tapauksessa, kansainvälinen tutkijaryhmä on onnistunut ratkaisemaan litium-arvoituksen.

Tutkijaryhmä sai käyttöönsä Mauna Kealla sijaitsevan Keck-teleskoopin ja High Resolution Echelle eli HIRES-spektrografin. He ottivat erittäin tarkkoja spektrejä vanhoista tähdistä, joista aikaisemmin tehdyt havainnot osoittivat litium-pitoisuuksissa ja isotooppien määräsuhteissa poikkeamia. Havainnot näin himmeistä kohteista vaativat tuntikausien valotuksia ennen kuin fotoneja oli kertynyt riittävästi tarkan spektrin luomiseen.

HIRES-spektrografi oli uudistettu hiljattain ja sen valoa kokoavat kuvakennot oli vaihdettu piiseleiltään pienempiin. Tämä muutos oli oleellinen havaittujen spektrien tarkkuudelle ja muutoksen myötä myös litium-ongelma näyttää saaneen ratkaisunsa. Litiumisotooppien suhde toisiinsa ja vetyyn nähden osoittautui standardimallin mukaisiksi. Aikaisemmat epätarkemmat mittaukset ja epäherkemmät laitteet olivat luoneet illuusion epäsuhdasta teorian ja todellisuuden välille.

Kansainvälistä tutkimusryhmää johtaa Karin Lind Cambridge yliopistosta. Tutkimuksesta kertoi Phys.org -verkkojulkaisu ja raportti tutkimuksesta julkaistiin kesäkuun 6. päivänä ilmestyneessä Journal Astronomy & Astrophysics -tiedejulkaisussa.